近年来,纳米材料在生物医学领域的研究受到人们的诸多关注,有望成为多功能诊断和治疗的新手段。然而,我们目前对纳米材料与生物分子相互作用的理解仍非常有限,阻碍了其在生物医药领域的临床应用。研究者普遍认为,当纳米材料进入生理环境时,它会迅速吸附蛋白质等生物大分子形成纳米材料-蛋白质晕体系。蛋白质晕改变了纳米材料的尺寸、表面性质等,使其具有不同于合成材料的生物学特性。这些生物特性决定了纳米材料在生物体内的信号传导、动力学、靶向运输、积累和毒性等生理反应。因此对纳米材料-蛋白质晕性质的研究具有重要的意义。本文的研究内容共分三个部分,第一部分通过联合多种物理化学技术,包括傅里叶变换红外光谱、荧光淬灭等方法,对超小金纳米粒子(gold nanoparticles,AuNPs)表面人血清白蛋白(human serum albumin,HSA)蛋白质晕的结构变化及其结构改变对细胞的影响进行了研究。结果表明,当HSA被AuNPs吸附后,其构象发生改变,部分β-折叠转变为α-螺旋结构,从而增强了其稳定性。重要的是,我们发现构象转化的AuNP-HSA复合物会首先聚集在细胞膜表面,并破坏细胞膜的完整性,进而诱导细胞凋亡。而AuNPs则可以在不破坏细胞膜的情况下顺利进入细胞内部,表现出了较低的细胞毒性。此研究结果不仅提供了纳米颗粒上HSA分子的详细构象改变,而且还揭示了蛋白质晕由于结构的改变而引起的细胞生物学行为,这对纳米级物体在生物体内的安全应用至关重要。磁性氧化铁纳米颗粒(Magnetic iron oxide nanoparticles,MIONPs)已被广泛应用于生物医药领域。在生理环境中,蛋白质会结合纳米颗粒形成蛋白质晕。蛋白质晕在纳米颗粒周围的结构和聚集在纳米材料的生物安全研究中起着重要的作用。我们采用透射电镜、能量色散X射线光谱、动态光散射、傅里叶变换红外光谱和氢氘交换技术等方法,探讨了磁性氧化铁纳米颗粒上蛋白质晕的构象变化、热稳定性和聚集。我们发现MIONPs上结合的蛋白质晕在生理环境中是部分展开的。此外,我们首次观察到MIONPs表面蛋白质晕的形态和构象变化可以诱导蛋白质聚集。我们相信这些发现将加深我们对蛋白质晕的理解,对纳米材料在生物体内的安全应用至关重要。论文的第三部分,我们采用凝胶电泳结合基质辅助激光解析(吸附)电离串级飞行时间质谱对柠檬酸钠还原的AuNPs和银纳米粒子(silver nanoparticles,AgNPs)表面吸附的人血清蛋白进行定性和定量分析。我们发现,随着在人血清中孵育的时间的增长两种纳米材料上吸附的血清白蛋白逐渐被免疫相关的蛋白所代替,且在相同时间内,不同纳米材料对血清蛋白的吸附速率及选择性具有明显的差异。这对免疫安全性、生物相容性和开发具有重要生物学功能的新型纳米材料具有重要意义。总之,本文通过研究不同纳米粒子表面蛋白质晕组成、结构和纳米粒子-蛋白质晕体系对细胞的作用机制,我们发现纳米粒子将引起其表面蛋白质晕的组成、结构发生改变,进而影响其细胞生物学行为。这些发现将为纳米材料和生物界面之间的相互作用提供指导,并为今后纳米材料-蛋白质晕这一复合体系的研究工作提供方法学指导,并且对纳米材料的生物医学应用及认识纳米粒子的毒性提供理论依据。该研究对于推进纳米粒子的生物学应用,构建安全有效的纳米医药体系具有重要意义。